[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Rekombination von Wasserstoff
und Sauerstoff in einem Gasgemisch, bei der das Gasgemisch über eine Zuströmleitung,
in die ein Fördergebläse geschaltet ist, einer Heizkammer zuführbar ist. Sie betrifft
weiter ein Verfahren zur Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff in einem Gasgemisch.
[0002] In einem Kernkraftwerk muß bei Stör- oder Unfallsituationen, bei denen beispielsweise
aufgrund von Kernaufheizung eine Oxidation von Zirkonium auftreten kann, mit der Bildung
und Freisetzung von Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid innerhalb des den Reaktorkern
umschließenden Sicherheitsbehälters oder Containments gerechnet werden. Dadurch können
innerhalb des Containments explosive Gasgemische entstehen.
[0003] Zur Verhinderung der Bildung derartiger explosiver Gasgemische im Containment eines
Kernkraftwerks werden verschiedene Einrichtung oder Verfahren diskutiert. Hierzu gehören
beispielsweise Einrichtungen wie katalytische oder thermische Rekombinatoren, katalytisch
und elektrisch betriebene Zündeinrichtungen oder die Kombination der beiden vorgenannten
Einrichtungen sowie Verfahren einer permanenten oder nachträglichen Inertisierung
des Containments. Insbesondere thermische Rekombinatoren zeichnen sich dabei durch
eine weitgehende Resistenz gegenüber den möglicherweise aus dem Reaktorkern freisetzbaren
Substanzen aus und sind somit auch unter verschiedensten Betriebsbedingungen besonders
funktionssicher.
[0004] Bei einem thermischen Rekombinator, wie er beispielsweise aus der
DE 2 411 006 C2 bekannt ist, ist üblicherweise eine Heizkammer vorgesehen, der das Gasgemisch über
eine Zuströmleitung zuführbar ist. In der Heizkammer wird das Gasgemisch auf eine
derart hohe Temperatur gebracht, daß eine Rekombinationsreaktion des mitgeführten
Wasserstoffs mit im Gasgemisch ebenfalls geführtem Sauerstoff einsetzt, die letztlich
zum Abbau des Wasserstoffs bis unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes oder unterhalb
der Nachweisgrenze führt. Die Zuführung des Gasgemisches zur Heizkammer ist dabei
durch ein in die Zuströmleitung geschaltetes Fördergebläse sichergestellt.
[0005] Zur bedarfsgerechten Einstellung der Betriebsparameter eines derartigen thermischen
Rekombinators ist üblicherweise eine Regelung der Heizleistung für die Heizkammer
vorgesehen. So ist beispielsweise aus der
DE 3 339 242 C2 ein thermischer Rekombinator bekannt, bei dem eine Führung oder Steuerung der Rekombinationsreaktion
durch eine elektrische Regelung der zur Beheizung der Heizkammer vorgesehenen Heizstäbe
erfolgt. Auch beim Betrieb des aus der
DE 2 411 006 C2 bekannten thermischen Rekombinators ist eine Aufheizung der Heizkammer und eine anschließende
Abregelung der Heizleistung in Abhängigkeit von der Reaktionswärme vorgesehen.
[0006] Allerdings setzt ein derartiges Konzept hinsichtlich der Auslegung der Heizkammer
und der zugeordneten Komponenten eine hinreichend genaue Abstimmung im Hinblick auf
bereitzustellende Heizleistung und verarbeitbaren Volumenstrom des Gasgemisches voraus.
Insbesondere bei vorgegebenem Auslegungs-Volumenstrom kann dies zu einer vergleichsweise
groß dimensionierten und damit - auch infolge möglicherweise geforderter Redundanz
bei sicherheitsrelevanten Komponenten - aufwendigen Beheizungseinrichtung für die
Heizkammer führen.
[0007] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
der obengenannten Art zur Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff in einem Gasgemisch,
insbesondere für die Containment-Atmosphäre eines Kernkraftwerks, anzugeben, bei der
mit besonders einfachen Mitteln auch bei verschiedenen Betriebszuständen ein zuverlässiger
Abbau des im Gasgemisch geführten Wasserstoffs gewährleistet ist. Weiterhin soll ein
zum Betreiben der Vorrichtung besonders geeignetes Verfahren zur Rekombination von
Wasserstoff und Sauerstoff in einem Gasgemisch angegeben werden.
[0008] Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung und für ein Verfahren der obengenannten Art
erfindungsgemäß nach Anspruch 1-10 gelöst.
[0009] Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß ein zuverlässiger Abbau des Wasserstoffs
im Gasgemisch mit besonders einfachen Mittel erreichbar ist, indem die Rekombinationsvorrichtung
hinsichtlich ihrer Betriebsparameter an eine große Vielzahl von Betriebszuständen
auf besonders einfache Weise anpaßbar ist. Dazu ist die Fördermenge des Fördergebläses
und somit der Volumenstrom des der Heizkammer zugeführten Gasgemisches nicht als feste,
sondern vielmehr als variable Betriebsgröße konzipiert. Für einen besonders hohen
Wirkungsgrad der Rekombinationsvorrichtung gerade auch bei vergleichsweise geringen
Wasserstoffkonzentrationen im Gasgemisch ist dabei die dem Fördergebläse zugeordnete
Reglereinheit derart ausgelegt, daß als Eingangsgröße für die Regelung der Fördermenge
die jeweils aktuelle ("Ist-") Konzentration des Wasserstoffs im Gasgemisch berücksichtigt
wird.
[0010] Dabei erfolgt eine Betriebsaufnahme der Rekombinationsvorrichtung mit einem vorgebbaren
Startwert für die Fördermenge. Je nach ermittelter Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch
erfolgt - auch unter Berücksichtigung der durch die Rekombinationsreaktion freigesetzten
Reaktionswärme - eine gleitende Durchsatzerhöhung durch die Heizkammer durch entsprechende
Nachführung der Fördermenge des Fördergebläses. Dabei kann eine bedarfsweise Erhöhung
der Fördermenge auf beispielsweise bis zum doppelten Wert des Startwertes - bei höheren
Wasserstoffkonzentrationen - vorgesehen sein, ohne daß die Heizkammer als solche spezifisch
auf den maximalen Durchsatzwert ausgelegt sein müßte. Hierbei kann zudem auch eine
Temperaturregelung der Heizkammer durch die gleitende Durchsatzregelung - bei nahezu
konstanter Heizleistung - erfolgen.
[0011] Zweckmäßigerweise ist die Heizkammer dabei von einer Anzahl von Heizstäben beheizbar,
deren Heizleistung für eine besonders hohe Flexibilität beim Betrieb der Rekombinationsvorrichtung
vorteilhafterweise ebenfalls einstellbar oder regelbar ist. Dabei ist jeder Heizstab
in vorteilhafter Ausgestaltung innerhalb eines ihm zugeordneten Strömungsrohres angeordnet,
so daß sich als Strömungsbereich für das Gasgemisch jeweils ein Ringspalt zwischen
Heizrohr und zugeordnetem Strömungsrohr ergibt.
[0012] Zur Vermeidung von Übertemperaturen sind die Heizstäbe zweckmäßigerweise in axialer
Richtung in eine Anzahl von, vorzugsweise drei, Leistungsstufen unterteilt. Die Heizstäbe
sind vorteilhafterweise elektrisch in einer Dreiecksschaltung verschaltet, wobei vorzugsweise
drei Serien mit jeweils acht in Reihe geschalteten Heizstäben vorgesehen sind.
[0013] In vorteilhafter Weiterbildung ist der Heizkammer strömungsseitig eine Reaktionskammer
nachgeschaltet. In dieser findet eine Vermischung des in der Heizkammer umgesetzten
Gasgemisches mit noch unreagiertem Gasgemisch statt. Insbesondere infolge des exothermen
Charakters der Rekombinationsreaktion ist das bereits umgesetzte Gasgemisch dabei
vergleichsweise stark aufgeheizt. Durch die Vermischung mit dem noch unreagierten
Gasgemisch erfährt dieses somit eine Aufheizung, die die Rekombinationsreaktion erneut
in Gang setzt. Somit ist ein besonders weitreichender Abbau des im Gasgemisch ursprünglich
geführten Wasserstoffs erreichbar. Die Reaktionskammer kann dabei insbesondere als
Ringkammer ausgebildet sein, in der sämtliche Strömungsrohre aus der Heizkammer zusammengeführt
sind, so daß eine besonders homogene Vermischung sämtlicher die Heizkammer durchströmender
Teilströme eintritt. Bei einer derartigen Anordnung ist selbst beim vollständigen
Ausfall eines Heizstabes durch die Zusatzrekombination in der Reaktionskammer ein
zuverlässiger Abbau des Wasserstoffs gewährleistet.
[0014] In alternativer oder weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Heizkammer ein
statischer Mischer nachgeschaltet. Dieser weist vorzugsweise eine Anzahl von Mischelementen
auf, die für eine Beaufschlagung mit Strömungsmedium mit einer Strömungsgeschwindigkeit
von mehr als 10 m/s ausgelegt sind. Der statische Mischer bewirkt dabei eine besonders
homogene Vermischung von über die Heizkammer geführten Teilströmen des Gasgemisches,
so daß insbesondere im Zusammenwirken mit der Reaktionskammer ein wirkungsvoller Wärmeübertrag
von umgesetztem Gasgemisch auf nicht reagiertes Gasgemisch und damit die Einleitung
einer Rekombinationsreaktion auch im noch nicht umgesetzten Gasgemisch gewährleistet
ist.
[0015] In besonders vorteilhafter Weiterbildung ist die Vorrichtung dabei hinsichtlich des
für das Gasgemisch vorgesehenen Strömungsweges derart ausgebildet, daß der statische
Mischer über zumindest einen Teilstrom des infolge der exothermen Rekombinationsreaktion
aufgeheizten Gasgemisches beheizbar ist. Durch eine derartige Anordnung ist eine besonders
wirkungsvolle Ausnutzung der exothermen Reaktionsenergie der Rekombinationsreaktion
ermöglicht, wobei gemeinsam mit der Vermischung verschiedener von der Heizkammer abströmender
Teilströme des Gasgemisches miteinander eine Einleitung der Rekombinationsreaktion
des noch nicht umgesetzten Wasserstoffes im Gasgemisch erfolgt.
[0016] Zur Begrenzung der Temperaturbelastung drucktragender oder druckbelasteter Strukturelemente
der Rekombinationsvorrichtung ist die Heizkammer vorteilhafterweise in einem innenisolierten
Gehäuse angeordnet. Dabei kann in der Art einer Doppelmantelausführung des Gehäuses
ein Luftspalt zwischen einem Gehäuseinnenmantel und einem Gehäuseaußenmantel oder
auch ein temperatur- und strahlenbeständiger Isolierstoff vorgesehen sein. Zur Verringerung
einer Wärmeübertragung durch Strahlung kann die Innenoberfläche des Gehäuses zudem
verspiegelt sein. Der druckbelastete Gehäuseaußenmantel ist dabei zweckmäßigerweise
zur Erfüllung auch höchster Sicherheitsanforderungen ausgelegt und dabei thermisch
von der Heizkammer und der Reaktionskammer entkoppelt. Die Rekombinationsvorrichtung
ist somit für eine gekapselte Rekombination mit nur geringen Wärmeverlusten in den
Außenbereich ausgelegt. Durch diese Auslegung ist eine besonders günstige Ausnutzung
der bei der exothermen Rekombinationsreaktion freigesetzten Wärme zur Einleitung einer
weiteren Rekombinationsreaktion im noch nicht umgesetzten Gasgemisch ermöglicht.
[0017] Durch die somit ermöglichte Entkopplung der wärmebelasteten Komponenten von den mechanisch
belasteten oder druckbelasteten Komponenten können diese unter Verwendung bekanntermaßen
geeigneter Materialien bei besonders geringem Materialverbrauch und unter Sicherstellung
besonders hoher Zeitstandswerte von beispielsweise mehr als 1000 Betriebsstunden ausgeführt
sein. Insbesondere kann bei einer derartigen Ausführung sichergestellt sein, daß die
mechanisch belasteten oder druckbelasteten Komponenten auch unter Vollastbetrieb der
Rekombinationsvorrichtung besonders hohe Temperaturen von beispielsweise nicht mehr
als 450°C ausgesetzt sind, wobei im Inneren der Rekombinationsvorrichtung - aufgrund
der nicht vorliegenden Druckbelastungen - besonders hohe Temperaturen von etwa 800°C
herrschen können. Durch diese hohen Temperaturen ist wegen der resultierenden hohen
Reaktionsgeschwindigkeiten auch bei hohen Durchsätzen eine effektive Reaktion sichergestellt.
In dem Temperaturbereich von bis zu 450°C für die mechanisch belasteten Komponenten
ist nach den gängigen Sicherheitsstandards für kerntechnische Anlagen - wie beispielsweise
dem ASME-Code - eine Vielzahl von Materialien auch mit hoher Materialstandszeit für
die Ausgestaltung der druckbelasteten Komponenten einsetzbar.
[0018] In zweckmäßiger Weiterbildung ist der Heizkammer strömungsseitig ein Spritzkühler
nachgeschaltet, dessen Gehäuse unmittelbar mit dem der Heizkammer zugeordneten Gehäuse
verbunden ist. Der Spritzkühler ermöglicht dabei eine wirkungsvolle Abkühlung des
von der Heizkammer oder der Reaktionskammer abströmenden Gasgemisches auf ein für
den Außenmantel der anderen im Containment angeordneten Komponenten unbedenkliches
Temperaturniveau. Durch die Anordnung des Spritzkühlers unmittelbar an der Heizkammer
- insbesondere unter Bildung eines monolithischen Gehäuseblocks mit gemeinsamer "kalter"
Außenschale - ist dabei der Einsatz von hochtemperaturfestem Rohrleitungsmaterial
nicht erforderlich.
[0019] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Rekombinationsvorrichtung
durch die bedarfsweise Einstellung der Fördermenge des Fördergebläses in Abhängigkeit
vom Wasserstoffgehalt des Gasgemisches und/oder der Reaktionszonentemperaturen besonders
flexibel und variabel einsetzbar ist. Somit ist mit vergleichsweise geringem Aufwand
ein besonders hoher Wirkungsgrad bei der Umsetzung des Wasserstoffs erreichbar, wobei
gerade bei geringem Wasserstoffgehalt die Fördermenge besonders gut an die verfügbare
Heizleistung angepaßt werden kann. Zudem ist durch die thermische Entkopplung der
druckbelasteten Komponenten der Rekombinationseinrichtung von der Heizkammer und/oder
der Reaktionskammer auch bei nur geringer Baugröße der Rekombinationseinrichtung und
bei vergleichsweise dünnwandiger Ausführung der Strukturelemente eine besonders hohe
Reaktionszonentemperatur möglich und trotzdem für die Außenschale die Einhaltung auch
strenger Sicherheitsbestimmungen auf besonders einfache Weise ermöglicht.
[0020] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
- Figur 1
- schematisch eine Vorrichtung zur Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff in einem
Gasgemisch,
- Figur 2
- eine Rekombinatoreinheit der Vorrichtung gemäß Figur 1,
- Figur 3
- eine alternative Rekombinatoreinheit der Vorrichtung gemäß Figur 1, und
- Figur 4
- im Ausschnitt eine Reaktionskammmer der Rekombinatoreinheit gemäß Figur 2 oder Figur
3.
[0021] Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
[0022] Die Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 ist zur Rekombination von Wasserstoff mit Sauerstoff
in einem Gasgemisch, nämlich in der Containment-Atmosphäre eines nicht näher dargestellten
Kernkraftwerks bei einem Störfall, vorgesehen. Die Vorrichtung 1 umfaßt dazu eine
Rekombinatoreinheit 2, 2', der das Gasgemisch über eine Zuströmleitung 4 zuführbar
ist. Zur Förderung des Gasgemisches in die Rekombinatoreinheit 2, 2' ist in die Zuströmleitung
4 ein Fördergebläse 6 geschaltet, das über eine Welle 8 mit einem Antriebsmotor 10
verbunden ist. Die Rekombinatoreinheit 2, 2' ist ausgangsseitig mit einem Spritzkühler
12 verbunden, der seinerseits ausgangsseitig an eine Ableitung 14 für das Gasgemisch
angeschlossen ist. Der Spritzkühler ist zur Zuführung von Kühlwasser eingangsseitig
mit einer Leitung 16 verbunden. Bei der Abkühlung nicht verbrauchtes oder verdampftes
Wasser ist aus dem Spritzkühler 12 über eine Wasserableitung 18 abführbar, in die
ein Dampffänger 20 geschaltet ist.
[0023] Zur bedarfsweisen Umführung der Vorrichtung 1 ist die Zuströmleitung 4 unter Umgehung
der Rekombinatoreinheit 2, 2' und des dieser nachgeschalteten Spritzkühlers 12 über
eine mit einem Ventil 22 absperrbare Umführungsleitung 24 direkt an die Ableitung
14 angeschlossen.
[0024] Eine Ausgestaltung der Rekombinatoreinheit 2 ist in Figur 2 im Detail dargestellt.
Die Rekombinatoreinheit 2 gemäß Figur 2 umfaßt eine Heizkammer 30, die über eine Anzahl
von Heizstäben 32 beheizbar ist. Im Ausführungsbeispiel sind 24 Heizstäbe 32 vorgesehen,
die elektrisch zu drei Gruppen von jeweils 8 in Serie geschalteten Heizstäben 32 zusammengefaßt
sind. Alternativ kann aber auch eine beliebige andere geeignete Anzahl der Heizstäbe
32 vorgesehen sein. Die Heizstäbe 32 sind durch eine gemeinsame Halteplatte 34, die
zudem eine Grenzfläche der Heizkammer 30 bildet, geführt und mit ihrem aus der Heizkammer
30 herausragenden Ende in einer gemeinsamen Halteeinrichtung 36 gehaltert.
[0025] In einem Raumbereich 38 innerhalb der Heizkammer 30 ist jeder Heizstab 32 innerhalb
eines ihm zugeordneten Strömungsrohres 40 angeordnet. Jeder Heizstab 32 bildet somit
gemeinsam mit dem ihm zugeordneten Strömungsrohr 40 im Raumbereich 38 einen ringspaltförmigen
Strömungsweg für das Gasgemisch, der einen an die Zuströmleitung 4 angeschlossenen
Einlaßbereich 42 der Heizkammer 30 strömungsseitig mit einer dieser nachgeschalteten
Reaktionskammer 44 verbindet.
[0026] In der Reaktionskammer 44 ist ein statischer Mischer 46 angeordnet, der eine homogene
Vermischung der aus den Strömungsrohren 40 abströmenden Teilströme des Gasgemisches
miteinander bewirkt. Ausgangsseitig ist die Reaktionskammer 44 mit einer Umlenkeinrichtung
48 verbunden, die ihrerseits in den Innenraum des Spritzkühlers 12 mündet.
[0027] Die Heizkammer 30 ist gemeinsam mit der ihr nachgeschalteten Reaktionskammer 44 in
einem innenisolierten Gehäuse 50 angeordnet. Das Gehäuse 50 umfaßt dabei einen drucktragenden
und somit mechanisch belasteten Außenmantel 52. Zur thermischen Isolierung von der
Heizkammer 30 und von der Reaktionskammer 44 ist der Außenmantel 52 mit einer Innenisolation
54 ausgekleidet, die auf ihrer der Heizkammer 30 bzw. der Reaktionskammer 44 zugewandten
Innenseite mit einem als Hitzeschild wirkenden Innenmantel 56 versehen ist. Die Innenisolation
54 und der Innenmantel sind dabei hinsichtlich der Materialauswahl und der geometrischen
Dimensionierung derart ausgelegt, daß sich selbst bei einer Temperatur im Innenraum
der Heizkammer 30 oder der Reaktionskammer 44 von beispielsweise mehr als 820°C am
Außenmantel 52 eine Temperatur von nicht mehr als etwa 450°C einstellt.
[0028] Der Außenmantel 52 ist somit thermisch von der Heizkammer 30 und von der Reaktionskammer
44 entkoppelt. Auch bei vergleichsweise dünnwandiger Ausführung kann der Außenmantel
52 somit bei Verwendung geeigneter, herkömmlicher Materialien eine auch unter strengen
Sicherheitsanforderungen geforderte Drucksicherheit aufweisen.
[0029] Der Außenmantel 52 ist mit dem Gehäuse 58 des der Reaktionskammer 44 nachgeschalteten
Spritzkühlers 12 unter Bildung eines monolithischen Gehäuseblocks unmittelbar verbunden.
Somit ist zur Verbindung der Reaktionskammer 44 mit dem nachgeschalteten Spritzkühler
12 keine druckbelastete Rohrleitung erforderlich.
[0030] Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Rekombinatoreinheit 2'. Die Rekombinatoreinheit
2' ist dabei in wesentlichen Punkten gleichartig zur Rekombinatoreinheit 2 aufgebaut,
ist jedoch im Gegensatz zu dieser für eine Strahleindüsung des Gasgemisches und für
eine Beheizung des statischen Mischers 46 durch einen Teilstrom des infolge der Rekombinationsreaktion
aufgeheizten Gasgemisches ausgelegt.
[0031] Bei der Rekombinatoreinheit 2' gemäß Figur 3 mündet die Zuströmleitung 4 in eine
Anzahl von um die Heizkammer 30 herum angeordneten Strahldüsen 60. Das aus den Strahldüsen
60 austretende Gasgemisch gelangt dabei über ein zwischen dem Innenmantel 56 und dem
Außenmantel 52 angeordnetes Kanalsystem 62 in den Einlaßbereich 42 der Heizkammer
30.
[0032] Weiterhin ist im Unterschied zur Rekombinatoreinheit 2 der Innenmantel 56 der Rekombinatoreinheit
2' im Bereich der Reaktionskammer 44 mit einer Anzahl von Durchlaßöffnungen 64 versehen,
die den Innenraum der Reaktionskammer 44 mit dem Kanalsystem 62 verbinden. Somit kann
beim Betrieb der Rekombinatoreinheit 2' ein Teilstrom des in die Reaktionskammer 44
gelangenden Gasgemisches dem Kanalsystem 62 zuströmen und über dieses erneut in den
Einlaßbereich 42 der Heizkammer 30 gelangen. Die Zuführung des Gasgemisches in den
Einlaßbereich 42 über die Strahldüsen 60 stellt dabei in der Art einer Strahlpumpe
aufgrund der Sogwirkung eine Mindestdurchströmung des Kanalsystems 62 sicher. Der
das Kanalsystem 62 durchströmende Teilstrom weist dabei infolge der vorangegangenen
Rekombinationsreaktion ein erhöhtes Temperaturniveau auf. Dieses wird zur Beheizung
des in der Reaktionskammer 44 angeordneten statischen Mischers 46 genutzt.
[0033] Die Rekombinatoreinheit 2, 2' kann auch mit einer alternativ ausgeführten Reaktionskammer
70, wie sie in Figur 4 dargestellt ist, ausgerüstet sein. Bei dieser Ausgestaltung
sind die Strömungsrohre 40, von denen in Figur 4 gemeinsam mit dem zugehörigen Heizstab
32 nur eines gezeigt ist, axial länger ausgedehnt als die zugehörigen Heizstäbe 32.
In einem Endbereich 72, der nicht durch den zugehörigen Heizstab 32 ausgefüllt ist,
ist dabei jedes Strömungsrohr 40 mit Bohrungen versehen, über die das Gasgemisch in
einer Richtung senkrecht zur Längsachse des jeweiligen Heizstabes 32 in eine gemeinsame
Turbulenzkammer 74 austritt. Die Zusammenführung der in den Strömungsrohren 40 geführten
Teilströme des Gasgemisches in der gemeinsamen Turbulenzkammer 74 bewirkt dabei eine
besonders intensive Homogenisierung sämtlicher Teilströme.
[0034] Der Turbulenzkammer 74 ist dabei strömungsseitig eine Wirbelkammer 76 nachgeschaltet,
in der die statischen Mischer 46 angeordnet sind. Die Wirbelkammer 76 ist dabei von
einem becherartig ausgebildeten Strömungselement 78 derart konzentrisch umgeben, daß
das aus der Wirbelkammer 76 abströmende Gasgemisch im Gegenstrom an der Außenseite
der Wirbelkammer 76 entlanggeführt wird. Das von der Wirbelkammer 76 abströmende Gasgemisch,
das aufgrund der vorangegangenen Rekombinationsreaktion eine erhöhte Temperatur von
bis zu etwa 800°C aufweist, überträgt seine Wärme somit zumindest teilweise auf die
Außenwände der Wirbelkammer 76 und somit auch auf die in dieser angeordneten statischen
Mischer 46. Somit sind die statischen Mischer 46 auch in dieser Ausführungsform über
zumindest einen Teilstrom des infolge der Rekombinationsreaktion aufgeheizten Gasgemisches
beheizbar.
[0035] Beim Betrieb der Vorrichtung 1 erfolgt eine Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff
im der Rekombinatoreinheit 2, 2' zugeführten Gasgemisch. Dabei wird das Gasgemisch
in der Heizkammer 30 zunächst aufgeheizt, wobei die Aufheizung aufgrund der thermischen
Entkopplung des druckbelasteten Außenmantels 52 von der Heizkammer 30 bis zu einer
Temperatur von mehr als 800°C ohne sicherheitstechnische Bedenken vorgenommen werden
kann. Bei einer derartig hohen Temperatur läuft die gewünschte Rekombinationsreaktion
mit besonders hoher Geschwindigkeit und Wirksamkeit ab, so daß auch bei den bei höheren
Gasdurchsätzen auftretenden kürzeren Verweilzeiten noch hohe Reaktionsgrade erreicht
werden können.
[0036] Das von der Heizkammer 30 abströmende Ga-sgemisch gelangt in die Reaktionskammer
44 bzw. in die Wirbelkammer 76. Dort wird das Gasgemisch homogenisiert, wobei sich
vollständig umgesetzte Teile des Gasgemisches mit möglicherweise noch nicht reagierten
Bestandteilen vermischen. Diese Vermischung wird durch den oder die statischen Mischer
46 noch begünstigt. Infolge der Vermischung überträgt der umgesetzte Teil des Gasgemisches
seinen infolge der exothermen Rekombinationsreaktion möglicherweise stark erhöhten
Wärmeinhalt teilweise auf die noch nicht reagierten Bestandteile des Gasgemisches.
Diese erfahren somit eine Erwärmung, die ihrerseits die Rekombinationsreaktion in
Gang setzt. Die Vorrichtung 1 zeichnet sich somit durch einen besonders hohen Wirkungsgrad
bei der Rekombinationsreaktion aus.
[0037] Die Vorrichtung 1 ist aber auch für eine besonders flexible Betriebsweise - je nach
anfallender Wasserstoffmenge - ausgelegt. Um zusätzlich zu einer elektrischen Steuerung
der Heizstäbe 32 eine besondere Variabilität beim Betrieb zu ermöglichen, ist die
Vorrichtung 1 für eine bedarfsgerechte Einstellung der Fördermenge des Fördergebläses
6 ausgebildet. Dazu ist - wie in Figur 1 dargestellt - dem Antriebsmotor 10 und somit
auch dem Fördergebläse 6 an sich eine Reglereinheit 80 zugeordnet. Die Reglereinheit
80 übermittelt dem Antriebsmotor 10 ein Stellsignal, anhand dessen die Motordrehzahl
und somit die Fördermenge oder Förderleistung des Fördergebläses 6 eingestellt wird.
Eingangsseitig ist die Reglereinheit 80 mit einem Wasserstoffsensor 82 zur Ermittlung
des Wasserstoffgehalts des Gasgemisches verbunden.
[0038] Die Reglereinheit 80 ist dabei derart ausgebildet, daß sie das Stellsignal zur Festlegung
der Motordrehzahl in Abhängigkeit vom ermittelten Wasserstoffgehalt des Gasgemisches
festsetzt. Dadurch wird beim Betrieb der Vorrichtung 1 die Fördermenge des Fördergebläses
6 in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt des Gasgemisches und/oder der Reaktionstemperaturen
eingestellt. Dabei wird beispielsweise bei Betriebsbeginn der Vorrichtung 1 ein Mindestdurchsatz
durch die Rekombinatoreinheit 2, 2' von beispielsweise 150 m3/h bei maximaler Heizleistung
der Heizstäbe eingestellt. Bei ansteigendem Wasserstoffgehalt im Gasgemisch wird der
Durchsatz unter Beibehaltung der Heizleistung in der Art einer gleitenden Durchsatzerhöhung
kontinuierlich und der Erhöhung des Wasserstoffgehaltes entsprechend gesteigert. Je
nach Anforderung kann dabei eine Erhöhung des Durchsatzes auf beispielsweise bis zu
300m3/h, also eine Verdoppelung des Durchsatzes, vorgenommen werden.
[0039] Durch eine derartige bedarfsgesteuerte Beaufschlagung der Rekombinatoreinheit 2,
2' ist ein zuverlässiger Abbau des Wasserstoffes im Gasgemisch mit besonders hohem
Wirkungsgrad und mit besonders einfachen Mitteln gewährleistet.
1. Vorrichtung (1) zur Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff in einem Gasgemisch,
bei der das Gasgemisch über eine Zuströmleitung (4), in die ein mit einem Antriebsmotor
(10) verbundenes Fördergebläse (6) geschaltet ist, einer elektrisch beheizbaren Heizkammer
(30) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Antriebsmotor (10) zugeordnete Reglereinheit (80) derart ausgebildet ist,
dass die Fördermenge des Fördergebläses (6) in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt
des Gasgemisches und/oder der Reaktionstemperatur eingestellt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Reglereinheit (80) mit einem Wasserstoffsensor
(82) zur Ermittlung des Wasserstoffgehalts des Gasgemisches verbunden ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Heizkammer (30) über eine Anzahl
von Heizstäben (32) beheizbar ist.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei der jeder Heizstab (32) innerhalb eines zugeordneten
Strömungsrohres (40) angeordnet ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, deren Heizkammer (30) strömungsseitig
eine Reaktionskammer (70) nachgeschaltet ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, deren Heizkammer (30) ein statischer
Mischer (46) nachgeschaltet ist
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, bei der der Strömungsweg des Gasgemisches derart
ausgebildet ist, dass der statische Mischer (46) über einen Teilstrom des infolge
der Rekombinationsreaktion aufgeheizten Gasgemisches beheizbar ist.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Heizkammer (30) in einem
innenisolierten Gehäuse (50) angeordnet ist.
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, bei der der Heizkammer (30) strömungsseitig ein Spritzkühler
(12) nachgeschaltet ist, dessen Gehäuse (8) unmittelbar mit dem der Heizkammer (30)
zugeordneten Gehäuse verbunden ist.
10. Verfahren zur Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff in einem Gasgemisch, bei
der das Gasgemisch über eine Zuströmleitung (4), in die ein mit einem Antriebsmotor
(10) verbundenes Fördergebläse (6) geschaltet ist, einer elektrisch beheizbaren Heizkammer
(30) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördermenge des Fördergebläses (6) über eine dem Antriebsmotor (10) zugeordnete
Reglereinheit (80) in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt des Gasgemisches und/oder
der Reaktionstemperatur eingestellt wird.
1. Device (1) for recombining hydrogen and oxygen in a gas mixture, wherein the gas mixture
can be supplied via a supply line (4), in which a supply blower (6) connected with
a drive motor (10) is inserted, to an electrically heatable heating chamber (30),
characterized in that a control unit (80) allocated to the drive motor (10) is designed in such a way that
the flow rate of the supply blower (6) is adjusted as a function of the hydrogen content
of the gas mixture and/or of the reaction temperature.
2. Device (1) according to claim 1, wherein the control unit (80) is connected with a
hydrogen sensor (82) for determining the hydrogen content of the gas mixture.
3. Device (1) according to claim 1 or 2, wherein the heating chamber (30) can be heated
by means of a number of heating elements (32).
4. Device (1) according to claim 3, wherein each heating element (32) is arranged inside
an allocated flow pipe (40).
5. Device (1) according to any of claims 1 to 4, wherein a reaction chamber (70) is connected
downstream to the heating chamber (30) on the flow side.
6. Device (1) according to any of claims 1 to 5, wherein a static mixer (46) is connected
downstream to the heating chamber (30).
7. Device (1) according to claim 6, wherein the flow path of the gas mixture is designed
in such a way that the static mixer (46) can be heated by means of a partial flow
of the gas mixture heated up due to the recombination reaction.
8. Device (1) according to any of claims 1 to 7, wherein the heating chamber (30) is
arranged in an internally insulated housing (50).
9. Device (1) according to claim 8, wherein a splash cooler (12) is connected downstream
to the heating chamber (30) on the flow side, the housing (8) of said splash cooler
(12) being directly connected with the housing allocated to the heating chamber (30).
10. Method for recombining hydrogen and oxygen in a gas mixture, wherein the gas mixture
can be supplied via a supply line (4), in which a supply blower (6) connected with
a drive motor (10) is inserted, to an electrically heatable heating chamber (30),
characterized in that the flow rate of the supply blower (6) is adjusted by means of a control unit (80)
allocated to the drive motor (10) as a function of the hydrogen content of the gas
mixture and/or of the reaction temperature.
1. Dispositif (1) pour recombiner de l'hydrogène et de l'oxygène dans un mélange gazeux,
dans lequel le mélange gazeux peut être alimenté au moyen d'une conduite d'alimentation
(4) dans laquelle une soufflante d'alimentation (6) raccordée à un moteur de commande
(10) est insérée, à une chambre de chauffe (30) chauffable électriquement, caractérisé en ce qu'une unité de réglage (80) associée au moteur de commande (10) est réalisée de façon
que le débit de la soufflante d'alimentation (6) est ajusté en fonction du teneur
en hydrogène du mélange gazeux et/ou de la température de réaction.
2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel l'unité de réglage (80) est raccordée
à un détecteur d'hydrogène (82) pour déterminer le teneur en hydrogène du mélange
gazeux.
3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la chambre de chauffe (30)
peut être chauffé au moyen d'un nombre d'éléments de chauffage (32).
4. Dispositif (1) selon la revendication 3, dans lequel chaque élément de chauffage (32)
est arrangé à l'intérieur d'un tube de courant (40) associé.
5. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel une chambre
de réaction (70) est raccordé en aval à la chambre de chauffe (30), du côté de courant.
6. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel un mélangeur
statique (46) est raccordé en aval à la chambre de chauffe (30).
7. Dispositif (1) selon la revendication 6, dans lequel la course du courant du mélange
gazeux est réalisée de façon que le mélangeur statique (46) peut être chauffé au moyen
d'un courant partiel du mélange gazeux chauffé par suite de la réaction de recombination.
8. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la chambre
de chauffe (30) est arrangée dans un boîtier (50) isolé à l'intérieur.
9. Dispositif (1) selon la revendication 8, dans lequel un refroidisseur par projection
d'eau (12) est raccordé en aval à la chambre de chauffe (30), du côté de courant,
le boîtier (8) de ce refroidisseur par projection d'eau (12) étant raccordé directement
au boîtier associé à la chambre de chauffe (30).
10. Procédé pour recombiner de l'hydrogène et de l'oxygène dans un mélange gazeux, dans
lequel le mélange gazeux peut être alimenté au moyen d'une conduite d'alimentation
(4) dans laquelle une soufflante d'alimentation (6) raccordée à un moteur de commande
(10) est insérée, à une chambre de chauffe (30) chauffable électriquement, caractérisé en ce que le débit de la soufflante d'alimentation (6) est ajusté au moyen d'une unité de réglage
(80) associée au moteur de commande (10), en fonction du teneur en hydrogène du mélange
gazeux et/ou de la température de réaction.